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蜘蛛和蚕吐丝秘诀 - 2003-09-09


人类利用蚕丝已经有两千多年的历史,但直到最近,科学家们才开始解开蜘蛛和蚕吐丝的秘诀,为人类仿照天然程序,人工生产强度大,柔韧性好的纤维材料,提供了重要信息。

*启发材料工程学*

这项研究发表在最近一期的《自然》杂志上。参加研究的美国波士顿塔夫特斯大学化学工程系教授卡普兰说,这项研究之所以重要,是因为蜘蛛和蚕造的丝具有其特殊性质。他说:“这些生物能在水里完成这些工作。如果考虑到绿色化学,也就是把环境保护的因素考虑进去的话,那么研究大自然是如何在水的环境中优化聚合物的形成,生产具备特殊性质的材料,对材料工程学未来的发展就会有很大启发。”

*从丝心蛋白到丝线*

蚕丝是一种强韧的材料,广泛用于生产服装、地毯、甚至降落伞。人们以前总要小心翼翼地从蚕茧里纺丝,至于蚕是怎么把丝心蛋白水溶液转化成丝线的,却始终让人摸不着头脑。卡普兰教授介绍说,他们在研究中,首先从蚕茧里提取蚕丝,重新把这些蚕丝溶于水中。他们发现,通过改变溶液里水的比例,就可以改变溶液的分子结构。

蚕丝蛋白水溶液处于一种亲水区与疏水区的混合状态。为了考察水的比例对蚕丝形成的影响,研究人员在溶液中添加了一种化合物。这种化合物可以跟蚕丝蛋白抢着吸收水分子。部份水分子被吸收后,蚕丝蛋白水溶液的亲水部分开始结合,并逐渐形成链条。随着水分的进一步减少,蚕丝链结合在一起形成纳米级的球状粒子,被称做胶态离子。这种胶态离子又结合在一起形成更大的胶体结构。此时,这种胶体依然是溶于水的,从而避免了过早结晶。

*如何控制水含量*

卡普兰教授说:“我们发现,其中的道理实际上很简单,并不需要很多额外的环境投入就能够完成,只要控制水的含量就行了。”卡普兰教授说,他们的这一发现,对研制生产高强度的新材料会有深远影响。他说:“直到现在,在实验室里复制这一程序的努力一直不成功,造出来的材料要么太脆,要么远远不具备蚕丝和蜘蛛丝的特性。理解蚕和蜘蛛造丝的程序和原理,就更便于我们按照天然程序,制造新材料。”

*柔韧性和牢固性*

研究人员说,了解蜘蛛和蚕造丝的奥秘,就可以研究生产结实耐磨的材料,用于运动器材、远足装备、和警察军人穿的保护性服装。丝的质地很强韧,比现有的人造材料具有更多优越性。例如,现在军装上用的防弹材料是凯夫拉尔。这种材料尽管质地牢固,但柔韧性不够;而大家所熟悉的尼龙则刚好相反,柔韧性好,但又不够牢固。研究人员说,丝恰恰介于二者之间。

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